基于確定性系數(shù)模型的瀘水市泥石流易發(fā)性評價

李益敏, 李馭豪, 趙志芳

(1.云南大學(xué) 資源環(huán)境與地球科學(xué)學(xué)院, 昆明 650500; 2.云南省地理研究所 高原山地災(zāi)害與環(huán)境研究中心, 昆明 650223)

泥石流是我國最頻發(fā)的地質(zhì)災(zāi)害之一，因其暴發(fā)突然、來勢兇猛、危害嚴重而倍受關(guān)注，成為研究熱點[1-5]。泥石流的易發(fā)性評價可以直觀反映泥石流災(zāi)害的空間分布，也為預(yù)防潛在災(zāi)害的戰(zhàn)略準(zhǔn)備提供參考，對于預(yù)測預(yù)警、防災(zāi)減災(zāi)工作意義重大[2]。易發(fā)性評價指標(biāo)[6-13]、評價模型[6-13]和指標(biāo)權(quán)重[14-15]的合理性關(guān)系到泥石流易發(fā)性評價結(jié)果的科學(xué)性和適合性，是易發(fā)性評價研究關(guān)鍵。泥石流易發(fā)性與地形地貌、地層巖性、降雨特征、植被覆蓋、人類干擾等因素相關(guān)，構(gòu)成泥石流易發(fā)性主要評價指標(biāo)。陳劍等[1]選取地貌熵值、巖土類型、坡向、坡度、植被歸一化指數(shù)、月均降雨量6個因子作為泥石流的易發(fā)性評價因子；譚玉敏等[3]選取坡度、坡向、累計匯水面積、地層巖性、水域、降雨量、植被和土地利用分類8個影響因子；岳溪柳等[5]選取土壤侵蝕、坡度、坡向、巖石性質(zhì)、土地利用方式、歸一化植被指數(shù)(NDVI)、到溝谷的距離及>25 mm降雨日數(shù)8個因子開展貴州省喀斯特地區(qū)泥石流易發(fā)性研究；Jiang等[14]以斷層距離、巖性、高程、坡度、坡向、河流距離、植被覆蓋(NDVI)等作為評價指標(biāo)因素，開展了云南省地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性評價研究。近年，泥石流評價方法和技術(shù)手段不斷提升，GIS與模型方法結(jié)合應(yīng)用于泥石流災(zāi)害易發(fā)性評價研究中，實現(xiàn)評價結(jié)果的定量化、空間化成為趨勢。GIS技術(shù)與信息量[3-6]、層次分析法[7-8]、聚類和最大似然法[9-10]、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)[11-12]、證據(jù)權(quán)重法[13]、回歸模型[11,14]、確定性系數(shù)(CF)[15-17]等模型方法在泥石流評價中得到廣泛應(yīng)用，取得了良好的效果。指標(biāo)某一因子的權(quán)重是指該因子在泥石流評價整體中的相對重要程度，代表了不同因子作用或貢獻的大小。權(quán)重確定方法一類是以專家打分法(德爾菲法為代表)，通過充分挖掘?qū)＜业闹R、經(jīng)驗，主觀性較強而受到質(zhì)疑。另一類是將專家經(jīng)驗與數(shù)學(xué)統(tǒng)計方法相結(jié)合，如層次分析法、模糊權(quán)重法，該類方法計算中存在個人主觀判別的參與，大量已知樣本的獲取難度等問題。CF值直接代表著各因子對地質(zhì)災(zāi)害的貢獻這一物理基礎(chǔ)，該方法模型簡單，應(yīng)用方便，可較好應(yīng)用于地質(zhì)災(zāi)害因子權(quán)重研究中[15-17]。因而，本文采用CF模型和GIS方法開展瀘水市泥石流易發(fā)性評價研究。

1 研究區(qū)概況

瀘水市位于云南省西北部，世界自然遺產(chǎn)地三江并流區(qū)，怒江傈僳族自治州南部，瀕臨歐亞和印支兩大板塊的結(jié)合部，構(gòu)造運動強烈，地質(zhì)環(huán)境復(fù)雜，環(huán)境脆弱。瀘水市最高海拔4 161.6 m，最低海拔738 m，相對高差達3 423.6 m，為典型的高山峽谷地貌。國際河流怒江自北向南流經(jīng)瀘水市，怒江兩岸支流大多垂直入江，干支流構(gòu)成羽狀水系。研究區(qū)地形地貌、構(gòu)造復(fù)雜、河流密布、河流坡降比大，降水豐富，年均降水量1 199.7 mm，特殊的地理環(huán)境和復(fù)雜的大氣環(huán)流使得研究區(qū)水系發(fā)育密集，立體氣候突出，加之筑橋修路、采礦、墾荒等人類活動的影響，這些因素的綜合疊加影響為泥石流災(zāi)害的發(fā)生孕育了條件，造成區(qū)內(nèi)泥石流災(zāi)害較為發(fā)育[18]。

2 數(shù)據(jù)與研究方法

2.1 數(shù)據(jù)源與評價單元

數(shù)據(jù)源包括1∶5萬地形圖、1∶25萬地質(zhì)圖、交通圖、高分一號遙感影像、降水?dāng)?shù)據(jù)以及瀘水市泥石流災(zāi)害歷史數(shù)據(jù)等(包括64個有具體空間關(guān)系的災(zāi)害點，見表1)。

評價單元的選擇取決于空間數(shù)據(jù)的比例尺與精度，對于研究區(qū)較大、比例尺較小的空間數(shù)據(jù)，一般以柵格或規(guī)則網(wǎng)格為評價單元，并且柵格單元在GIS軟件中易于計算和處理。本研究區(qū)東西橫距56.19 km，南北縱距108.27 km，故采用25 m×25 m的柵格單元作為泥石流易發(fā)性評價單元。

表1 瀘水市泥石流災(zāi)害信息

2.2 指標(biāo)體系構(gòu)建

結(jié)合瀘水市的地形地貌、地質(zhì)構(gòu)造、氣候、降水等環(huán)境特征以及泥石流災(zāi)害的分布規(guī)律，選取坡度、高程、河流距離、道路距離、巖性、斷裂帶距離、降雨量、NDVI、土地利用9個影響因子作為泥石流災(zāi)害易發(fā)性評價指標(biāo)因子。

各個因子的分級情況參考相關(guān)論文。其中，坡度分為5個等級[18]，高程的分級按瀘水市的垂直氣候帶譜界線為標(biāo)準(zhǔn)劃分為5個等級，離河流、道路、斷裂帶距離則根據(jù)瀘水市的面積大小，以200 m為單位進行分級[19]。巖性按照工程地質(zhì)巖組GB50218—1994和GB50021—2001分為4類，土地利用類型按一級分類。各評價指標(biāo)分級(分類)具體見表2。

表2 瀘水市泥石流災(zāi)害評價指標(biāo)分級(分類)

(1) 坡度。坡度的大小會對泥石流災(zāi)害的發(fā)生產(chǎn)生影響。坡度越大，泥石流發(fā)生的頻率越高。首先從瀘水市的DEM數(shù)據(jù)中將坡度提取出來，后用ArcGIS的重分類工具按照分級標(biāo)準(zhǔn)將坡度分為5個等級。

(2) 高程。不同高程范圍內(nèi)人類活動的范圍也會有所不同，而且高程會對植被的類型、植被的覆蓋度以及降水量產(chǎn)生影響，因而選取其作為評價因子之一。與坡度的操作相類似，將高程從DEM數(shù)據(jù)中提取出來，按照瀘水市的垂直氣候帶譜進行分級，分為6個等級。

(3) 離河流距離。河流水系對泥石流災(zāi)害發(fā)生的影響比較大，河流兩岸的巖土體受到河流水體側(cè)蝕的影響，抗侵蝕能力較弱，降水增加水位上升使巖土體難以承受沖擊力可能引發(fā)泥石流災(zāi)害。將河流從DEM數(shù)據(jù)中提取出來，并進行緩沖區(qū)分析，建立多環(huán)緩沖區(qū)，將其分為6個等級。

(4) 離道路距離。人類工程活動對于泥石流災(zāi)害的影響較大，研究區(qū)的人類工程活動以筑路、采礦和城鎮(zhèn)建設(shè)為主?？紤]到土地利用因子已反映采礦和城鎮(zhèn)建設(shè)對泥石流的影響，且山區(qū)道路作為線性工程貫穿整個研究區(qū)，曲折盤旋使得開挖的土方量較大，因此將道路納入評價指標(biāo)。道路的分級處理方式與水系相同，將其分為7個等級。

(5) 巖性。泥石流發(fā)生的概率大小與巖性關(guān)系非常緊密。巖性對泥石流的穩(wěn)定性影響比較大，巖性越松散，即巖體的抗壓能力越弱，流水侵蝕作用越強烈，則災(zāi)害越容易發(fā)生。將巖性直接按照標(biāo)準(zhǔn)進行分級并重分類，分為堅硬巖組、較堅硬巖組、軟弱巖組和松散巖組4個等級。

(6) 離斷裂帶距離。斷裂帶影響泥石流的發(fā)育和發(fā)生。離斷裂帶越近，巖土體越破碎，穩(wěn)定性越差，泥石流災(zāi)害越容易發(fā)生，反之，離斷裂帶越遠，巖土體的穩(wěn)定性越好，泥石流災(zāi)害發(fā)生的頻率較低。斷裂帶的處理方式與道路相同，將其分為7個等級。

(7) 降雨量。降雨是誘發(fā)泥石流的主要因素，雨季是泥石流高發(fā)期。由于降水強度大，入滲量相對較小，地表產(chǎn)生的徑流量較大，沖刷作用強烈，使得具有一定坡度的松散堆積物隨徑流形成洪水從而引發(fā)泥石流災(zāi)害，瀘水市泥石流災(zāi)害的發(fā)生與降水發(fā)生密切，選擇2012—2016年瀘水市雨量監(jiān)測站點的實測數(shù)據(jù)，運用ArcGIS中的克里金空間插值法得到降雨量空間分布圖，再對其用邊界進行掩膜提取，提取完成后進行分級，分為5個等級。

(8) NDVI。植被指數(shù)(NDVI)，能夠較好地反映出植被生長狀態(tài)及植被蓋度，在植被遙感中應(yīng)用最為廣泛。不同的NDVI值對災(zāi)害的影響程度不同，NDVI由TM遙感影像數(shù)據(jù)得到，在ENVI 5.1軟件的支持下進行提取，并換算為-1～1的NDVI值。換算后將NDVI值用自然斷點法劃分為5個等級：NDVI<0為水體、云等區(qū)域；0～0.18為裸土等植被較少區(qū)域；0.18～0.25為植被覆蓋一般的區(qū)域；0.25～0.35為植被覆蓋較好的區(qū)域；>0.35為植被覆蓋很好的區(qū)域，結(jié)果見圖1。

(9) 土地利用類型。不同的土地利用類型對泥石流災(zāi)害的發(fā)生影響程度不同，土地利用和泥石流災(zāi)害具有關(guān)聯(lián)性。土地利用類型由2016年高分一號遙感數(shù)據(jù)解譯，并經(jīng)過野外驗證得到，類型分為未利用土地、耕地、草地、林地、水體、建設(shè)用地6類。

2.3 確定性系數(shù)模型

確定性系數(shù)模型CF是一個概率函數(shù)，CF(certainty factor)最早是由Shortliffe等[20]提出，由Heckerman[21]改進，用于分析影響某一事件發(fā)生的各個因素的敏感性。CF模型可以分析泥石流災(zāi)害因子的敏感性，完成泥石流災(zāi)害的易發(fā)性評價。計算公式為：

(1)

式中：PPa是泥石流災(zāi)害事件在數(shù)據(jù)類a中發(fā)生的條件概率；PPs是泥石流災(zāi)害事件在整個研究區(qū)s中發(fā)生的先驗概率。通常，PPa在實際應(yīng)用中可以表示為數(shù)據(jù)類a的單元中存在的泥石流災(zāi)害數(shù)目與單元面積(km2)的比值；PPs可以表示為整個研究區(qū)的泥石流災(zāi)害數(shù)目與研究區(qū)面積(km2)的比值。

基于上述公式所計算得出的CF的值域區(qū)間為[-1,1]。如果計算出的結(jié)果為正值，則代表事件發(fā)生確定性的增長，即泥石流災(zāi)害發(fā)生的確定性高，說明此單元為泥石流災(zāi)害的易發(fā)區(qū)；反之，如果計算出的結(jié)果為負值，則代表事件發(fā)生確定性的降低，即泥石流災(zāi)害發(fā)生的確定性低，說明此單元不容易發(fā)生泥石流災(zāi)害。

本文運用確定性系數(shù)模型(CF模型)對瀘水市泥石流災(zāi)害進行易發(fā)性評價，基于GIS平臺，分別對各項因子進行處理，再根據(jù)分級標(biāo)準(zhǔn)進行分級，得到易發(fā)性評價分區(qū)結(jié)果。

3 易發(fā)性評價及結(jié)果與分析

3.1 CF值計算及分析

(1) 坡度。坡度的CF計算結(jié)果說明，坡度與泥石流災(zāi)害的發(fā)生具有較為緊密的聯(lián)系，坡度為8°～25°，泥石流災(zāi)害發(fā)生的概率比較大；坡度較小的地區(qū)，災(zāi)害發(fā)生的概率相應(yīng)減小(表3)。

圖1 易發(fā)性評價指標(biāo)分級

注：“—”代表未發(fā)現(xiàn)，下表同。

(2) 高程。海拔的CF值計算結(jié)果表明，海拔在1 600 m以下是瀘水市泥石流災(zāi)害較為發(fā)育區(qū)域。受到自然條件的限制，瀘水市高海拔地區(qū)不適合人類居住，因此對自然環(huán)境的破壞較小，而在人類活動較為集中的低海拔地區(qū)，人們筑橋修路、耕作、采礦等活動以及低海拔地區(qū)水系的發(fā)育，為泥石流災(zāi)害的發(fā)生孕育了條件。

表4 高程分級與CF值計算結(jié)果

(3) 距水系距離。距水系距離的CF值計算結(jié)果表明，距水系200 m以內(nèi)，對災(zāi)害的影響較大，泥石流災(zāi)害發(fā)生的概率較大，隨著距離的遞增，災(zāi)害發(fā)生的概率也在減小。說明距水系的距離越近，泥石流災(zāi)害發(fā)生的概率就越大(表5)。

表5 水系分級與CF值計算結(jié)果

(4) 距道路距離。修建公路等人類活動對泥石流災(zāi)害產(chǎn)生影響，通過CF值計算結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，離道路越近，泥石流發(fā)生的概率就越高(表6)。

表6 道路分級與CF值計算結(jié)果

(5) 離斷裂帶距離。斷裂帶周圍巖土體破碎，風(fēng)化程度高，容易形成泥石流。根據(jù)斷裂帶的分級以及CF值得計算結(jié)果可知，距斷裂帶800 m以內(nèi)泥石流災(zāi)害發(fā)生的概率比較大，而大于800 m的區(qū)域泥石流災(zāi)害發(fā)生的可能性較低。說明斷裂帶對泥石流災(zāi)害的發(fā)生也具有重要的影響(表7)。

表7 斷裂帶分級與CF值計算結(jié)果

(6) 巖性。巖石的類型以及堅硬程度都會對巖土體的抗風(fēng)化能力和抗侵蝕能力有影響。從CF值分析結(jié)果可以看出，根據(jù)巖石的堅硬程度進行統(tǒng)計，越堅硬的巖體，泥石流災(zāi)害發(fā)生的概率越小(表8)。

表8 巖性分級與CF值計算結(jié)果

(7) 降雨量。降雨與泥石流災(zāi)害的發(fā)生關(guān)系非常密切，降雨量越大，則泥石流災(zāi)害發(fā)生的概率也較高。計算結(jié)果CF值也說明了這一問題(表9)。

表9 降水量分級與CF值計算結(jié)果

(8) NDVI。NDVI也是泥石流災(zāi)害的一個重要影響因素。表10表明NDVI在0.18以內(nèi)泥石流災(zāi)害發(fā)生的概率較大，說明植被覆蓋度越低，泥石流災(zāi)害發(fā)生的概率越大(表10)。

表10 NDVI分級與CF值計算結(jié)果

(9) 土地利用類型。土地的不合理利用會造成泥石流災(zāi)害的發(fā)生，不同的土地利用方式對泥石流災(zāi)害的影響也不同。通過CF計算結(jié)果可知，建設(shè)用地、水體和耕地這3種土地利用類型發(fā)生泥石流災(zāi)害的概率較大(表11)。

表11 土地利用類型分級與CF值計算結(jié)果

3.2 泥石流易發(fā)性評價等級劃分

利用ArcGIS疊加以上9個因子的CF值，按照自然斷點法將泥石流災(zāi)害易發(fā)性結(jié)果分為極高易發(fā)區(qū)、高易發(fā)區(qū)、中易發(fā)區(qū)、低易發(fā)區(qū)4個等級(表12)，得到易發(fā)性評價分級圖(圖2)。

表12 易發(fā)性評價CF值等級劃分

3.3 易發(fā)性評價結(jié)果驗證

為了驗證瀘水市泥石流災(zāi)害易發(fā)性評價分區(qū)結(jié)果的合理性，本研究采用64個泥石流樣本數(shù)據(jù)以及泥石流災(zāi)害面積百分比累積—易發(fā)性面積百分比累積曲線來進行驗證易發(fā)性評價指標(biāo)因子、模型方法結(jié)果的科學(xué)性與合理性。

3.3.1 瀘水市樣本災(zāi)害點數(shù)據(jù)結(jié)果驗證 從瀘水市64個樣本內(nèi)泥石流災(zāi)害點數(shù)據(jù)驗證結(jié)果(圖3)可以看出，易發(fā)性評價分區(qū)與災(zāi)害點分布較為吻合，極高易發(fā)區(qū)主要分布在瀘水市的怒江干流的沿岸地區(qū)，泥石流災(zāi)害的密度從極高易發(fā)區(qū)到低易發(fā)區(qū)逐漸減少，其中，低易發(fā)區(qū)面積占總面積的45.38%，災(zāi)害點個數(shù)為0；中易發(fā)區(qū)面積占總面積的30.80%，災(zāi)害點個數(shù)占總個數(shù)的4.69%；高易發(fā)區(qū)面積占總面積的15.29%，災(zāi)害點個數(shù)占總個數(shù)的15.63%；極高易發(fā)區(qū)面積占總面積的8.53%，災(zāi)害點個數(shù)占總個數(shù)的79.69%。高易發(fā)區(qū)及其以上等級區(qū)域內(nèi)的災(zāi)害點占總數(shù)的95.32%。根據(jù)評價結(jié)果的驗證，說明用確定性系數(shù)模型可以較好地反映出泥石流災(zāi)害發(fā)生的區(qū)域(表13)。

圖2 易發(fā)性評價分區(qū)結(jié)果 圖3 易發(fā)性評價分區(qū)結(jié)果與樣本內(nèi)災(zāi)害點數(shù)據(jù)疊加

表13 瀘水市泥石流易發(fā)性分級結(jié)果和比例

3.3.2 AUC驗證 將泥石流易發(fā)性模型評價結(jié)果以1%的間隔分為100等分，求取已知泥石流在這100個級別內(nèi)的分布百分比，構(gòu)建易發(fā)性評價結(jié)果累積與泥石流發(fā)生累積曲線[22](圖4)。根據(jù)計算，曲線下面積(Area Under Curve,AUC)為81.99%，說明易發(fā)性評價結(jié)果的準(zhǔn)確率達到81.99%，表明確定性系數(shù)模型適用于瀘水市易發(fā)性評價分析，得到的易發(fā)性分級結(jié)果具有合理性。

圖4 確定性系數(shù)模型評價結(jié)果檢驗曲線

4 結(jié) 論

(1) 瀘水市的泥石流災(zāi)害點大多分布在極高易發(fā)區(qū)內(nèi)，極高易發(fā)區(qū)面積僅占總面積的8.53%，但發(fā)生的泥石流災(zāi)害點所占比例高達79.69%，易發(fā)性評價結(jié)果與實際泥石流災(zāi)害的分布比較吻合，AUC檢驗的準(zhǔn)確率達81.99%，表明論文選取的指標(biāo)和CF模型是合理的，應(yīng)用于瀘水市泥石流災(zāi)害易發(fā)性評價中是可行的。

(2) 瀘水市泥石流災(zāi)害發(fā)生與海拔、坡度、離水系、道路、斷裂帶距離關(guān)系密切，海拔1 600 m以下是泥石流易發(fā)區(qū)；離水系200 m、道路400 m、斷裂帶800 m內(nèi)是泥石流高發(fā)區(qū)。

(3) 瀘水市泥石流災(zāi)害發(fā)生與巖性、降雨、植被覆蓋、土地利用有關(guān)系。具體是：巖體的堅硬程度影響泥石流發(fā)生，越堅硬的巖體，泥石流災(zāi)害發(fā)生的概率越小；降雨量越大，泥石流災(zāi)害發(fā)生的概率也較高；植被覆蓋度越低，泥石流災(zāi)害發(fā)生的概率越大；土地利用方式影響泥石流易發(fā)性，瀘水市建設(shè)用地、水體和耕地這3種土地利用類型發(fā)生泥石流災(zāi)害的概率較大。

(4) 瀘水市泥石流災(zāi)害高易發(fā)區(qū)也是居民點集中分布區(qū)，要減少人類不合理的活動誘發(fā)的泥石流災(zāi)害，汛期要加大泥石流災(zāi)害排查和群測群防巡查，減少泥石流災(zāi)害的發(fā)生和災(zāi)害造成的損失。